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简介:交流单片机技术

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利用单片机构成高精度PWM式12位D/A

2008-11-24 09:04

作者:李照云
积分:21分

[一].前言
????在 用单片机制作的变送器类和控制器类的仪表中,需要输出1—5V或4—20mA的直流信号的时候,通常采用专用的D/A芯片,一般是每路一片。当输出信号的 精度较高时,D/A芯片的位数也将随之增加。在工业仪表中,通常增加到12位。12位D/A的价格目前比单片机的价格要高得多,占用的接口线数量也多。尤 其是在需隔离的场合时,所需的光电耦合器数量与接口线相当,造成元器件数量大批增加,使体积和造价随之升高。如果在单片机控制的仪表里用PWM方式完成 D/A输出,将会使成本降低到12位D/A芯片的十分之一左右。我们在S系列流量仪表中采用了这种方式,使用效果非常理想。下面介绍一下PWM方式D/A 的构成原理。

????[二].电路原理
????一般12位D/A转换器在手册中给出的精度为±1/2LSB,温度漂移的综合指标在20—50ppm/℃,上述两项指标在0.2级仪表中是可以满足要求的,下面给出的电路可以达到上述两项指标。

????图1中的T是固定宽度,τ的宽度是可变的。τ分为5000份,每份2us。所以τ的最大值τmax =2×5000=10000us,这就是T的宽度。当τ=T时,占空比为1,Vo=5.000V,τ=0时,Vo=0V。这种脉冲电压经过两级RC滤波后得到的电压可由下式表示:

????????
????VM 必须是精密电压源。Vo与占空比成正比,且线性较好,这种方式在理论上是很成熟的,但实际应用上还存在一些问题。图2是实际线路,其中单片机可用8098或8031两种常用芯片,VM 的 数值为5.000V±2mV,D/A与单片机必须是电气隔离的。否则数字脉冲电流产生的干扰会影响D/A精度,从示波器可以看到高达50mV的干扰毛刺电 压,因此有必要加光电隔离。经隔离后的脉冲驱动模拟开关CD4053。CD4053是三组两触点模拟开关,由PWM脉冲控制开关的公共接点使之与+ 5.000V和地接通,在VI 得到与单片机输出相一致的PWM波形。该波形经两级RC滤波后由运放构成的电压跟随器输出Vo。其中 RC的时间常数一般取RC≥2T,这样两级RC加起来就会得到纹波小于3mV的直流电压,本电路中RC=220ms,如果想进一步减小纹波,可适当提高 RC的乘积,但电路的响应速度也会放慢。
????用 运放做RC滤波器输出的缓冲大有益处。它不仅提高了滤波电路带载能力,而且使线性度得到了提高。通过实验可知,这一级运放的的缓冲作用是保证整个D/A精 度和线性度的重要环节。尽管RC滤波器无负载,处在非常理想的条件下工作,但Vo并不完全与占空比成正比。经测试,Vo与理想值有一些误差,如图3所示。

??

1楼 ??[转载]? Re:利用单片机构成高精度PWM式12位D/A
2008-11-24 09:04

作者:李照云
积分:21分

图 中的曲线1表示理想值,曲线2表示实测值。由图中可见,曲线2的根部不太理想。这是因为所使用的电容不是纯电容,其中含有一定的电感。在占空比极小时,由 于脉冲非常窄,它产生的高次谐波的频率很高,电感对高次谐波的感抗较大,因此在脉冲沿的位置上,尽管电压变化很大,但实际实际给电容充电却很小。这样就在 窄脉冲时产生非线性。当采用无感电容时,这种非线性有较大改善,但仍不能完全吻合。由于无感电容容量太小,价格也较高,所以在大时间常数滤波电路中没有实 际意义。在实际使用中解决这一问题的方法是舍弃根部非线性部分,只用线性部分,在工业仪表中,标准的信号一般为1—5V或4—20mA。而曲线2的非线性 部分在0.4V以下,所以当采用1—5V输出信号时,精度为0.03%完全满足12位D/A要求。

????除精度满足要求外,温度特性也必须满足要求。影响温度特性的原因主要是5V精密电源和运算放大器的温度特性。为不使价格太高,选用2DW232精 密稳压二极管,运放的电阻与滤波电阻要匹配且温度系数≤25ppm。运算放大器选择温漂≤10uV/℃的均可,一般廉价低温漂运放都可满足这个指标。采用 上述措施后D/A的总温度漂为33ppm/℃。


????[三].实测数据
????由于这个线路是在0.2级精密仪表中使用的,因此要求线性度和温度特性必须满足要求,另外,这个数据是测量V/I转换后4-20mA电源值与给定电流值之间的误差。这个误差还包含了V/I转换的误差。因此实际的D/A自身的误差比总误差要小。

????????Igd(mA)??????Io(mA)??????Δ=Io-Igd
????????4.000????????3.999????????-0.001
????????8.000????????7.998????????-0.002
???????11.000???????11.002????????+0.002
???????16.000???????16.006????????+0.006
???????20.000???????20.008????????+0.008

????????线性=Δmax/20=0.0004

?????????20℃???????60.℃
?????????????4.000mA?????3.993mA????????Δ=-0.007mA
??????20.000mA????19.974mA????????Δ=-0.026mA

????????温度漂移=Δmax/20×40=33ppm/℃

????由以上数据可知,满量程的线性度为0.04%,满量程的温度漂移为0.033%/10℃,系统响应时间约为2.2s,输出信号与标准值相差0.1%时所用的时间为11s。


????[四].结束语
????上 面所介绍的D/A电路结构简单,原理易懂,在8098及8031单片机上都可以应用,笔者采用8098单片机的四路高速输入输出同时控制四路精密D/A输 出。后面加一级V/I转换电路,构成标准的4—20mA电流输出,电路经一年多的现场实际应用,效果很好,适于目前0.2级仪表的全部要求。

2楼 ??[转载]? Re:利用单片机构成高精度PWM式12位D/A
2009-04-08 13:11

作者:魏彪
积分:4分

受教了。
3楼 ??[转载]? Re:利用单片机构成高精度PWM式12位D/A
2009-09-01 14:37

作者:hqh8001
积分:16分

多谢分享
4楼 ??[转载]? Re:利用单片机构成高精度PWM式12位D/A
2010-01-21 09:52

作者:ljzh
积分:51分

hao
5楼 ??[转载]? Re:利用单片机构成高精度PWM式12位D/A
2010-06-23 07:25

作者:烟台电子眼
积分:50分

hh
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话题PK
三星手机在中国是否会雪崩式倒下?

MOTO、NOKIA、索尼等手机巨头都是雪崩式倒下,三星手机最近也遭遇到市场近几年来首次的下滑。这是三星手机暂时性的困难,还是三星手机正在重走其它手机国际巨头的老路,积重难返,从此被国产手机所取代?欢迎大家表达自己的看法,谢谢。

正方:?三星手机在中国肯定会倒下。

反方:?三星手机还有能力东山再起。

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